La energía y sus manifestaciones - IES Campanillas
La energía y sus manifestaciones - IES Campanillas
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Unidad<br />
4<br />
<strong>La</strong> <strong>energía</strong> y su transformación
1<br />
4.1. Conceptos preliminares<br />
CIENCIA<br />
TECNOLOGÍA<br />
TÉCNICA<br />
Objetos<br />
Relación entre ciencia, tecnología y técnica.
2<br />
Relación entre ciencia, tecnología y técnica<br />
Concepto Características<br />
Ciencia<br />
Tecnología<br />
Técnica<br />
• Tiende a formular leyes generales y abstractas, empleando el método<br />
científico de investigación . Para ello, observa, experimenta, mide y<br />
describe.<br />
• Los productos obtenidos son: leyes, modelos, teorías, etcétera.<br />
• Incorpora, también, el método científico en su diseño y desarrollo.<br />
• Es un saber hacer (no un hacer).<br />
• Los productos son proyectos y construcciones de artefactos reales,<br />
empleando técnicas de fabricación concretas. Este es su objetivo principal.<br />
• Hace uso de los conocimientos científicos de la ciencia.<br />
• Es el «hacer».<br />
• Parte de la tecnología, pero no la contiene.<br />
• Se trata de una habilidad manual. Constituye la parte práctica de la<br />
tecnología.<br />
Características más relevantes de la ciencia, la tecnología y la técnica.
3<br />
Sistema de unidades<br />
Sistemas de unidades y <strong>sus</strong> equivalencias.
4<br />
4.2. Concepto de <strong>energía</strong> y <strong>sus</strong><br />
unidades<br />
<strong>La</strong> <strong>energía</strong> se define como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un<br />
trabajo. Está presente en los seres vivos, desde su propia alimentación hasta<br />
la realización de un trabajo.<br />
Energía calorífica.<br />
Energía química.<br />
Energía humana.<br />
Energía solar.<br />
Energía animal.<br />
Energía nuclear.<br />
Energía eólica.
5<br />
Unidades de <strong>energía</strong><br />
Sistema<br />
Cegesimal (CGS) Internacional (SI) Técnico (ST)<br />
Ergio<br />
(dina cm)<br />
Julio<br />
(N m = W s)<br />
Otras unidades de <strong>energía</strong><br />
Caloría. Es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado de temperatura (para pasar<br />
de 14,5 °C a 15,5 °C) un gramo de agua, a presión atmosférica normal (nivel del mar).<br />
Se emplea mucho cuando se habla de <strong>energía</strong> térmica.<br />
<strong>La</strong> fórmula que relaciona la temperatura adquirida por una masa de agua y el calor<br />
absorbido es: Q = m (Tf – Ti), donde m está expresado en gramos, las temperaturas en °C y<br />
el calor Q en calorías.<br />
<strong>La</strong> equivalencia entre calorías y julios es: 1 cal = 4,18 J.<br />
Kilográmetro<br />
(Kp m)<br />
KWh. Se lee kilovatio hora e indica el trabajo o <strong>energía</strong> desarrollada (cedida) o consumida<br />
por un ser vivo o máquina, que tiene una potencia de 1 kW y está funcionando durante una<br />
hora. Un submúltiplo es el vatio hora (Wh) 1 kWh = 1 000 Wh.<br />
Esta unidad es masivamente empleada en máquinas eléctricas y para indicar consumos<br />
eléctricos (contadores).
6<br />
4.3. Formas de manifestación de<br />
la <strong>energía</strong><br />
Formas Tipos Explicación Fórmulas<br />
Mecánica<br />
Eléctrica<br />
Em = Ec + Ep<br />
Cinética<br />
Potencial<br />
Manifestaciones de la <strong>energía</strong>.<br />
Es la <strong>energía</strong> que posee un cuerpo debido a su velocidad.<br />
Todos sabemos que, para una misma masa, cuanto mayor<br />
velocidad tiene el objeto, mayor <strong>energía</strong> cinética posee.<br />
Es la <strong>energía</strong> de un cuerpo debido a la altura a la que se<br />
encuentra dentro de un campo de fuerzas determinado.<br />
Nosotros nos vamos a centrar exclusivamente en el<br />
gravitatorio terrestre.<br />
Es la <strong>energía</strong> que proporciona la corriente eléctrica. Se trata<br />
de una <strong>energía</strong> de transporte, no siendo (mayoritariamente) ni<br />
primaria ni final. Generalmente siempre se transforma y<br />
procede de otro tipo de <strong>energía</strong>, tal como calor, <strong>energía</strong><br />
mecánica, etcétera.<br />
Ec = 1/2 m v2<br />
m = masa del cuerpo que se mueve.<br />
v = velocidad lineal del objeto.<br />
Ep = m g h<br />
g = gravedad = 9,8 m/s2<br />
h = altura a la que se encuentra el cuerpo.<br />
v = √– 2– –g– –h––<br />
Ee = P t = V I t = I2 R t<br />
P = V · I<br />
Según la ley de Ohm: V = I R.<br />
P = potencia expresada en vatios (W).<br />
t = tiempo en segundos.<br />
V = voltaje en voltios (V).<br />
R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω).<br />
I = intensidad de corriente en amperios (A).
7<br />
Formas Tipos Explicación Fórmulas<br />
Térmica<br />
Conducción<br />
Convección<br />
Radiación<br />
Manifestaciones de la <strong>energía</strong>.<br />
Paso de calor (<strong>energía</strong>) de un cuerpo de mayor temperatura<br />
a uno de menor, por efecto de choques moleculares. Por<br />
ejemplo, un trozo de carne que se cocina en una sartén.<br />
El calor asciende. Para ello es necesario que haya algún<br />
fluido que lo transporte. Ejemplo: calor del radiador que<br />
asciende hasta el techo porque el aire caliente tiene menos<br />
densidad.<br />
El calor se transmite en forma de ondas electromagnéticas.<br />
Un cuerpo más caliente que el ambiente que lo rodea irradia<br />
calor en forma de ondas que se transmiten a distancia. Por<br />
ejemplo, al situarse en los laterales de una estufa, se recibe<br />
calor por radiación.<br />
Q = (λ/d) S (Tf – Ti) t<br />
λ = coeficiente de conductividad (tabla en la<br />
páginas siguientes) en kcal/m h °C.<br />
d = espacio entre dos superficies del mismo<br />
cuerpo (m).<br />
S = superficies del mismo cuerpo (m2).<br />
t = tiempo en horas.<br />
Q = a S (Tf – Ti) t<br />
a = coeficiente de convección (tabla en<br />
páginas siguientes) en kcal/m2 h °C.<br />
t = tiempo en horas.<br />
Q = c S [(T2/100)4 – (T1/100)4] t<br />
c = coeficiente de radiación (tabla en<br />
páginas siguientes).<br />
T2 = temperatura absoluta del objeto que<br />
irradia calor.<br />
T1 = temperatura absoluta del objeto<br />
irradiado.<br />
t = tiempo en horas.
8<br />
Formas Tipos Explicación Fórmulas<br />
Nuclear<br />
Química<br />
Combustión<br />
química<br />
Radiante<br />
electromagnética<br />
Fisión<br />
Fusión<br />
Manifestaciones de la <strong>energía</strong>.<br />
Se origina al reaccionar dos o más productos químicos para<br />
formar otro distinto. Así tenemos: alimentos al digerirlos los<br />
seres vivos, el carbón, materias vegetales e hidrocarburos<br />
(combustibles derivados del petróleo) al quemarse, etcétera.<br />
Es propia de las ondas electromagnéticas, como ondas infrarrojas, luminosas, ultravioleta, microondas,<br />
etcétera.<br />
Se obtiene al romper un núcleo de un material fisionable<br />
(uranio o plutonio).<br />
Se obtiene al unir dos núcleos de dos átomos (litio y tritio)<br />
formando helio y desprendiendo gran cantidad de calor.<br />
Q = Pc m (sólidos y líquidos)<br />
Q = Pc V (gases)<br />
Pc = poder calorífico de un cuerpo al arder<br />
(tabla páginas siguientes) en kcal/kg o<br />
kcal/m3.<br />
m = masa del cuerpo que se quema (en kg).<br />
Einstein demostró que la materia se podía<br />
transformar en <strong>energía</strong> según la fórmula:<br />
E = m c2<br />
E = <strong>energía</strong> producida en julios (J).<br />
m = masa que desaparece (en kg).<br />
c = velocidad de la luz (3 · 108 m/s).
9<br />
Energía mecánica<br />
E m = E c + E p<br />
E c = ½ m v 2<br />
E p = m g h
10<br />
Energía calorífica o térmica<br />
Transmisión del calor por conducción<br />
Coeficiente de conductividad térmica (λ) de algunos materiales.
11<br />
Transmisión del calor por convección<br />
Coeficientes de convección (α).
12<br />
Transmisión del calor por radiación<br />
Cuando una superficie irradiada es de un<br />
material distinto del de la superficie que<br />
irradia, el valor de c es igual a:<br />
donde c1 y c2 son los coeficientes de<br />
radiación de ambos materiales.<br />
Coeficientes de radiación (c).
13<br />
Energía química<br />
Poder calorífico (P c)<br />
Materiales sólidos y líquidos:<br />
Q = P c m; donde m es la masa en kg.<br />
Combustibles gaseosos:<br />
Q = P c V; donde V es el volumen en m 3 .<br />
Poder calorífico (Pc) de<br />
algunos combustibles.
14<br />
Energía nuclear<br />
E = m · c 2<br />
E = <strong>energía</strong> calorífica obtenida en J.<br />
m = masa que ha desaparecido en kg.<br />
c = velocidad de la luz (3 · 10 8 m/s).
15<br />
Acumulación de <strong>energía</strong><br />
térmica en los cuerpos<br />
Q = C e · m (T f – T i)<br />
Q = cantidad de calor en kcal.<br />
T f = temperatura final en °C.<br />
C e = calor específico en kcal/kg °C.<br />
T i = temperatura inicial en °C.<br />
m = masa en kg.<br />
Calor específico (Ce) de<br />
diversos materiales.
16<br />
4.4. Transformaciones de la<br />
<strong>energía</strong><br />
5. Energía<br />
radiante<br />
Placas<br />
solares<br />
Bombilla<br />
Campana<br />
Fotosíntesis<br />
6. Energía<br />
nuclear<br />
Reactor<br />
Cuerpo<br />
incandescente 3. Energía<br />
térmica<br />
Colectores solares<br />
Radiador<br />
2. Energía<br />
eléctrica<br />
Pares<br />
termoeléctricos<br />
Gas del<br />
alumbrado<br />
Transformación de la <strong>energía</strong> y máquinas utilizadas.<br />
Motor<br />
Dinamo<br />
Baterías<br />
Turbinas<br />
Combustión<br />
Termólisis<br />
Rozamiento<br />
1. Energía<br />
mecánica<br />
Baterías<br />
4. Energía<br />
química<br />
Personas
17<br />
Consumo energético<br />
“Primer principio de la Termodinámica”<br />
Q<br />
W<br />
Q es la <strong>energía</strong> que recibe la locomotora<br />
(carbón) y W es el trabajo que realiza al<br />
arrastrar los vagones.
18<br />
Rendimiento<br />
Se llama rendimiento de una máquina a la relación entre el<br />
trabajo o <strong>energía</strong> suministrado por una máquina y la <strong>energía</strong> que<br />
ha sido necesario aportarle. Viene dada por la expresión:<br />
Lo ideal sería que fuese igual a 1.<br />
Eso querría decir que la máquina no<br />
desperdiciaría ninguna <strong>energía</strong>.<br />
Desgraciadamente, siempre es<br />
menor que 1 (nunca mayor).
19<br />
4.5. Ahorro energético<br />
Consumo energético<br />
Ahorro de <strong>energía</strong> en la vivienda<br />
Los burletes en puertas y ventanas<br />
evitan pérdidas de <strong>energía</strong>.<br />
Ahorro de <strong>energía</strong> en el transporte<br />
Además de inestabilidad, la baca origina<br />
un gran consumo de combustible.
20<br />
Eficiencia energética<br />
Electrodomésticos y lámparas.<br />
Bombas de calor de máquinas de<br />
aire acondicionado.<br />
Pegatina que señala la eficiencia<br />
energética de lámparas y<br />
electrodomésticos. Características energéticas aplicables a electrodomésticos.
21<br />
PROBLEMAS Y EJERCICIOS<br />
(Los datos que sean necesarios tomadlos de las diferentes tablas)<br />
1.- Calcular la <strong>energía</strong> que se libera (en Julios) en una reacción nuclear si se han transformado 200 g de<br />
uranio en <strong>energía</strong> calorífica.<br />
2.- Calcula la <strong>energía</strong> liberada al quemar un litro de gasóleo.<br />
3.- ¿Cuántas calorías de calor se necesitan para elevar la temperatura de 10 kg de aluminio de 20 a 40 ºC?<br />
4.- El calor específico de un material es 0,51 cal/g ºC. Exprésalo en kJ/kg ºK.<br />
5.- Sabiendo que el calor específico de una <strong>sus</strong>tancia se define como la cantidad de calor que hay que<br />
comunicar a cada gramo para que incremente su temperatura un grado, es decir: Ce=Q/(m ΔT). Calcular el<br />
calor específico de una <strong>sus</strong>tancia que necesita 450 cal para cambiar su temperatura desde 15 a 45 ºC,<br />
siendo su masa de 1 kg.<br />
6.- Durante una noche fría de invierno, un depósito de agua de 300 litros pasa de 27 a 1 ºC. ¿Qué cantidad<br />
de calor ha cedido el depósito al ambiente?<br />
7.- Una caldera con unas paredes de 3 mm de espesor y de superficie 450 cm 2 se quiere mantener a 180 ºC.<br />
Sabiendo que está fabricada de latón, determina la cantidad de calor que es necesario aportar por hora (en<br />
kcal/h) para mantener dicha temperatura. Se supone que en el exterior tenemos 24 ºC.
22<br />
8.- ¿Qué cantidad de calor se transmite por convección al techo de una habitación durante 2 horas, si se<br />
dispone de una estufa de 2 m 2 de superficie situada en el suelo y en el centro de la habitación. <strong>La</strong><br />
temperatura de la estufa es de 150 ºC y la de la habitación es de 30 ºC (esta temperatura se mantiene<br />
constante).<br />
9.- ¿Qué cantidad de calor absorberá una bola de 4 g de cinc al pasar de 20 ºC a 180 ºC? Si ese calor se<br />
suministrase a una bola de plomo de 350 g ¿Cuánto aumentaría su temperatura? C Zn = 0,093 cal/g ºC y C Pb<br />
= 0,03 cal/g ºC.<br />
10.- ¿Cuánto carbón se necesita para calentar el agua de un tanque de 100 litros de 20 ºC a 80 ºC. El calor<br />
de combustión del carbón utilizado es de 6.000 kcal/kg?<br />
11.- Un motor de combustión tiene un rendimiento total del 25%. Consume 7 litros/hora de un combustible de<br />
38.500 kJ/kg de poder calorífico y 0,79 kg/dm 3 de densidad. Calcula:<br />
a) <strong>La</strong> cantidad de combustible que consume por segundo.<br />
b) <strong>La</strong> potencia que suministra.<br />
12.- Si el secador de pelo indica que consume 1.100 W, ¿Cuántos caballos de vapor (CV) consume?
23<br />
13.- Antonio tiene una masa de 75 kg, David de 80.000 mg, y Sergio de 7,75 UTM. ¿Cuál de ellos tiene más<br />
masa?<br />
14.- Realiza las siguientes transformaciones:<br />
Cantidad Pasar a … Resultado<br />
10 kg · m/s Vatios<br />
12,6 kg · m/s Ergios/s<br />
3 CV Vatios<br />
10,5 CV Kg · m/s<br />
3,4 kp Newtons<br />
345 J Ergios<br />
1.300 N Dinas<br />
1.500 kg UTM
24<br />
15.- ¿A cuántos vatios equivale un caballo de vapor?<br />
16.- ¿A qué magnitud pertenece la dina?<br />
17.- ¿A qué magnitud pertenece el kilopondio?<br />
18.- ¿Qué es mayor, 10 kp ó 98 N?<br />
19.- Di si las siguientes magnitudes son básicas o derivadas:<br />
a) Potencia<br />
b) Tiempo<br />
c) Aceleración<br />
d) Longitud<br />
e) Fuerza<br />
20.- Un motor de 500 W ha estado funcionando durante 4 horas. ¿Qué <strong>energía</strong> ha suministrado?<br />
21.- ¿Qué diferencia hay entre calor y temperatura?
25<br />
22.- El contenido energético de una chocolatina es de 400 Kcal por cada 100 g. Calcula su contenido<br />
energético en cal/g y en KJ/kg.<br />
23.- Si tu minicadena de música es de 100 W y te pasas toda la tarde (5 horas) escuchando música,<br />
¿cuántos kWh has consumido? ¿Cuánto dinero te ha costado si el kWh cuesta 0,09 €?<br />
24.- Es Navidad y en la fachada de un gran centro comercial deciden poner un decorado con 200 bombillas<br />
de 20 W cada una. Calcular el gasto energético que supondrá si van a estar encendidas 7 horas al día y la<br />
campaña navideña dura 3 semanas. Suponer que el kWh cuesta 0,10 €.<br />
25.- ¿Cuántas Kcal desprende en una hora una estufa eléctrica de 1 kW de potencia?<br />
26.- Suponiendo que el kWh cuesta 0,95 €, calcular el coste mensual de un televisor de 120 W si éste<br />
permanece en funcionamiento una media de 5 horas diarias.<br />
27.- ¿De qué dos tipos de <strong>energía</strong> se compone la <strong>energía</strong> mecánica?<br />
28.- ¿De qué tres formas se puede transferir el calor entre dos puntos? Pon dos ejemplos de cada uno de<br />
ellas.
26<br />
29.- Se lanza hacia abajo desde una terraza que está a 12 m una pelota de 1 kg con una velocidad de 15<br />
m/s. Se pide:<br />
a) Tiempo que transcurre hasta llegar al suelo.<br />
b) Velocidad al llegar al suelo.<br />
c) Variación de <strong>energía</strong> cinética entre los dos puntos.<br />
30.- Por el punto más alto de la montaña rusa (50 m) pasa un coche (1.000 kg) a una velocidad de 10 m/s.<br />
Calcular la <strong>energía</strong> cinética del coche cuando pase por la segunda cima, con una altura de 25 m. Despreciar<br />
el rozamiento.
27<br />
31.- Un alumno sube la cuerda en la clase de Educación Física en 8 segundos. Su masa es de 65 kg y la<br />
longitud de la cuerda de 6 m. ¿Con qué potencia ha subido la cuerda?<br />
32.- Un ascensor lleva cuatro bloques de hormigón de 65 kg cada uno al piso 10 de una torre, y cada piso<br />
mide 2,5 m de altura. Calcula la <strong>energía</strong> potencial del conjunto al llegar al piso 10. Mientras se disponen a<br />
sacarlos del ascensor, se rompe el cable y el ascensor con los cuatro bloques cae libremente. Calcular la<br />
velocidad con la que llega al suelo.<br />
33.- Demuestra que la <strong>energía</strong> potencial que pierde un cuerpo que cae libremente es igual a la <strong>energía</strong><br />
cinética que gana.<br />
34.- ¿Qué es el coeficiente de conductividad térmica ( )? ¿En qué unidades se mide?<br />
35.- Un coche consume 6 litros de gasolina cada 100 km. ¿Cuál es su consumo energético en kcal y kJ por<br />
cada km? Poder calorífico de la gasolina: 11.350 kcal/kg. Densidad de la gasolina: 0,78 kg/l.
28<br />
36.- Un bloque de aluminio de 10 kg tiene una temperatura de 60 ºC y se deja enfriar hasta los 20 ºC.<br />
¿Cuánto calor ha cedido? [Calor específico del Al: 0,22 cal/g ºC]<br />
37.- Se utilizan 10 kcal para calentar 500 g de una <strong>sus</strong>tancia desconocida de 15 a 40 ºC. ¿Cuál es el calor<br />
específico de esa <strong>sus</strong>tancia?<br />
38.- En una reacción nuclear se liberan 2 ·10 12 J de <strong>energía</strong>. ¿Qué pérdida de masa tuvo lugar en el<br />
proceso?<br />
39.- Calcula el volumen de gas propano (P c = 22.350 kcal/m 3 ) necesario para obtener un calor equivalente al<br />
que se obtiene de 100 m 3 de gas butano (P c = 28.500 kcal/m 3 )<br />
40.- Si el hierro tiene un calor específico de 1,2 · 10 -5 cal/g ºC y el agua de 1 cal/g ºC. Con la misma cantidad<br />
de calor. ¿Cuál aumenta más su temperatura? De los dos, ¿cuál necesita más calorías para elevar su<br />
temperatura, si las masas son iguales?
29<br />
41.- ¿Qué dice el primer principio de la Termodinámica? Pon tres ejemplos prácticos en los que se cumpla.<br />
42.- ¿A qué se denomina rendimiento de una máquina? ¿Existe alguna máquina con un rendimiento de 1<br />
(100 %)? ¿Por qué?<br />
43.- Mediante la bomba de calor de un aparato de refrigeración industrial se obtiene una potencia en el<br />
condensador de 500 Mcal/h. <strong>La</strong> potencia del compresor es de 180 kW. Determina el rendimiento de la<br />
instalación.<br />
44.- Un motor consume 5 A a 220 V funcionando 2 horas. Si durante ese tiempo ha elevado una masa de 1<br />
tonelada hasta 10 m, calcula el rendimiento energético.<br />
45.- Nombra el dispositivo que realiza la siguiente conversión de <strong>energía</strong>:<br />
a) Eléctrica > Radiante<br />
b) Química > Eléctrica<br />
c) Radiante > Térmica.<br />
d) Radiante > Eléctrica<br />
e( Mecánica > Eléctrica
30<br />
46.- Un motor consume 6,5 l/h de gasolina (densidad = 0,75 kg/dm 3 ). El poder calorífico es de 10.000<br />
kcal/kg. Si el rendimiento del motor es del 25 %, calcular:<br />
a) ¿Cuántas calorías se convierten en trabajo?<br />
b) ¿Cuántas calorías se disipan?<br />
c) ¿Qué potencia desarrolla el motor?<br />
47.- Una motocicleta de 170 CV consume 150 g/CV y hora de un combustible de 0,9 kg/dm 3 de densidad y<br />
40.000 kJ/kg de poder calorífico. Calcula:<br />
a) <strong>La</strong>s horas de autonomía con el depósito lleno (80 litros).<br />
b) Rendimiento del motor.<br />
48.- Una habitación requiere de 6 · 10 7 kJ de calor para mantener su temperatura. Calcular el volumen que<br />
debe tener la caldera en la que almacenamos el carbón de hulla para obtener dicha <strong>energía</strong>? ¿Y si fuera de<br />
gasóleo?<br />
49.- Un motor de gasolina toma 15 kJ de calor y produce 5 kJ de trabajo mecánico en cada ciclo. Si el motor<br />
trabaja a 25 ciclos por segundo, se pide:<br />
a) Rendimiento del motor.<br />
b) Calor desechado en cada ciclo.<br />
c) Cantidad de gasolina consumida en cada ciclo.
31<br />
50.- Calcular los kilogramos de madera que se necesitan para calentar una casa que requiere 3,3 · 10 7 kcal<br />
durante todo el invierno. Supóngase que el 20 % del calor se pierde por la chimenea.<br />
51.- Sobre un sistema se ha realizado un trabajo de 50 kJ y se han extraído 30 kcal de calor. Calcular la<br />
variación de <strong>energía</strong> interna que ha sufrido.<br />
52.- Una central térmica de carbón de hulla tiene una potencia de salida de 1.000 MW y su rendimiento es<br />
del 30 %, se pide:<br />
a) Flujo de calor que hay que suministrar.<br />
b) Masa de carbón que hay que quemar por segundo.